一种激光气体传感器及气体检测方法与流程

本发明涉及气体传感器检测领域，尤其涉及一种激光气体传感器及气体检测方法。

背景技术：

1、在气体泄漏检测领域，可调谐半导体激光吸收光谱（tdlas）技术以灵敏度高、选择性好、响应速度快、可实时检测等特点而被广泛应用。tdlas技术的主要原理是控制激光器的工作温度和功率，间接控制激光器的发光波长，扫描待测气体的吸收波段，再经过信号解调获取气体浓度信息，其中控制功率的电流信号一般由微控制器内部dac或者外置da芯片产生，常见的扫描信号有锯齿波、三角波等等，而激光器的工作温度则是通过双向控温的半导体制冷器（tec）或单向控温的加热电阻来控温，进而使激光器能够发射特定波长的激光来测量待测气。

2、目前采用tec控温虽然能实现高低温的精确控制，专利cn114199821a 公开了一种调节qcl激光器波长匹配不同吸收峰的低功耗控温方法，通过采用了环境温度和吸收峰对应的激光器温度温差最小的方法来选择不同的吸收峰，采用tec将激光器波长稳定在不同吸收峰，从而使激光器在整个工作温度范围内所需要的功耗最小，结果降低了整个气体传感器功耗，但激光器采用tec芯片成本很高，严重制约了民用场景。而普通的加热电阻虽然成本低，在面临有高、低温吸收峰的待测气体检测时，可以根据环境温度快速地将激光器加热到高温目标温度，如专利cn116095891a公开了一种激光器温度控制装置、方法及微控制器，通过加热丝控制激光器达到目标工作温度，在该专利的实施例中，激光器的目标工作温度为60℃，如果激光器长时间工作在该较高的温度下，寿命衰减的速度比常温下要快，同时也会影响传感器的性能。鉴于这种情况，本领域技术人员通常能想到可以根据环境温度将激光器切换的低温吸收峰，相应地则需要将激光器工作温度降低至低温目标温度，但由于加热电阻只能主动地单向升温控制，要实现降温只能通过被动散热，这个过程耗时很长，当有危险气体泄露时就无法及时检测到。

3、综上所述，本发明要解决的技术问题是采用普通加热电阻作为激光气体传感器控温件时，激光器长期处于高温工作温度，而导致激光器寿命和传感器检测精度衰减的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决采用普通加热电阻作为激光气体传感器控温件时，激光器长期处于高温工作温度，会导致激光器寿命和传感器检测精度衰减的问题，提供一种激光气体传感器及气体检测方法。

2、本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种激光气体传感器，其特征在于，包括：激光器，用于发射激光信号；激光器控温电路，包括第一温度传感器，所述激光器控温电路与所述激光器连接，用于控制和调节所述激光器的温度，以使所述激光器发出特定波长的激光信号；气室，用于供待测气体流动；光电探测器，所述光电探测器用于将接收到的经过气室的待测气体的激光信号转换成电信号；处理单元，与所述光电探测器连接，用于对光探测器转化的电信号进行处理，得到待测气体的浓度值；

4、所述激光器包括管座、载板、激光芯片、加热电阻、第二温度传感器、隔热层以及管帽；所述激光器对待测气体有高、低温吸收峰波长；

5、所述载板通过隔热层设置在管座上；激光芯片设置于载板上，用于放出光信号；加热电阻设置于载板上，用于对激光芯片进行加热；

6、所述隔热层的材料导热系数小于所述载板的材料导热系数，以实现激光器的快速加热和散热；第二温度传感器设置于载板上，用于激光器的内部实时温度；

7、所述第一温度传感器用于获取环境温度；管帽连接管座用于对激光器进行封装。

8、可选的，所述激光器的隔热层采用低导热的硅片、氧化硅或硅酸盐材料制成，所述隔热层厚度为0.2-1mm。

9、可选的，所述激光器还包括反射镜，所述反射镜置于载板上，用于将激光芯片发出的光反射至传感器的气室腔中。

10、可选的，所述的激光器为vscel激光器或dfb激光器。

11、可选的，所述的气室为对射气室、单反射气室或多折返气室。

12、可选的，所述激光器的管帽内封装有0-100%vol浓度的待测气体或纯惰性气体。

13、可选的，所述光电探测器的管帽内封装有0-100%vol浓度的待测气体或纯惰性气体。

14、一种激光气体传感器的气体检测方法，所述激光气体传感器针对待测气体包括至少一个高温吸收峰和至少一个低温吸收峰，其特征在于，方法包括以下步骤：

15、s1：获取当前的环境温度t3；设激光器在高温峰工作模式下的工作温度为t1，在低温峰工作模式下的工作温度为t2；

16、s2：根据当前环境温度t3，判断激光器的工作模式；

17、s21：当所述激光器处于高温峰工作模式时：若环境温度t3<阈值温度a，采用pid快速控温方法，将所述激光器快速切换至低温峰工作模式；若环境温度t3≥阈值温度a，保持高温峰工作模式；

18、s22：当所述激光器处于低温峰工作模式时：若环境温度t3>阈值温度b，采用pid快速控温方法将所述激光器快速切换至高温峰模式；如环境温度t3≤阈值温度b，保持低温峰工作模式；

19、s3：获取待测气体，根据所述激光器所处的工作模式，通过激光气体传感器对待测气体进行检测。

20、可选的，所述阈值温度a<阈值温度b<工作温度t2。

21、可选的，所述pid快速控温方法为专家pid控制方法，所述pid快速控温方法的实现步骤如下：

22、通过第二温度传感器获取激光器的内部实时温度；

23、设e(k) = 目标激光器的工作温度－激光器的内部实时温度；

24、定义e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别表示为当前采样时刻的偏差值、前一个采样时刻的偏差值以及前两个采样时刻的偏差值；

25、定义de(k) = e(k)-e(k-1)、de(k-1) = e(k-1)-e(k-2)分别表示当前采样时刻偏差值的导数及前一个时刻偏差值的导数；

26、当|e(k)|>m1时，表示系统存在较大的偏差，不管偏差变化趋势增大还是减小，都应对偏差进行快速反应，pid控制器进行满额度输出，缩短系统响应时间，最大限度减少偏差的绝对值；

27、当e(k)×de(k)>0时，表示偏差存在增大趋势，或者偏差在达到预设定值时，变化趋势为零；

28、当|e(k)|>m2，表示偏差值较大，通过系统控制器进行较强控制，以使偏差的绝对值向着减小方向变化的趋势，达到缩小偏差绝对值的效果；

29、当|e(k)|<m2，系统控制器采取一般的控制输出；

30、当e(k)×de(k)<0、de(k)×de(k-1)>0或者e(k)=0时，表明偏差的绝对值沿着减少的方向变化，或者系统已达到稳态，系统控制器输出保持不变；

31、当e(k)×de(k)<0、de(k)×de(k-1)<0时，说明偏差处于极值状态，具体如下：

32、若|e(k)|>m2时，系统控制器采取较强的控制输出；

33、若|e(k)|<m2时，系统控制器采取较弱的控制输出；m1和m2为预设阈值。

34、本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

35、提出一种基于普通加热电阻的激光气体传感器，实现激光气体传感器快速切峰的气体检测方法。使得激光器的工作温度，根据环境温度改变，在低温环境下切换至低温峰，高温环境下切换至高温峰。在满足测量性能的同时，降低激光器的老化速度。采用高低温峰切换算法，降低激光器的老化速度；同时两种模式下使用不同的线性关系，保证了浓度的准确性；在结构上，通过设计低导热的隔热块，加快了升温和散热速度，并且改进了pid控制算法，加快了切换模式后进入测量状态的等待时间。经过上述改进，有效增加了激光器的使用寿命。